3.7～4.8μm紅外二次成像折反射式光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 卓，葉宗民，孫保杰，劉文鵬

3.7～4.8μm紅外二次成像折反射式光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 卓，葉宗民，孫保杰，劉文鵬

（中國(guó)人民解放軍91404部隊(duì)，河北 秦皇島 066000）

為滿足小、遠(yuǎn)目標(biāo)和空間目標(biāo)的光學(xué)特性測(cè)量需求，提出以RC結(jié)構(gòu)為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，通過曲線方程和高斯公式確立反射式光學(xué)系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)參數(shù)。為達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)目的，結(jié)構(gòu)中引入了二次成像中繼鏡組，解決了100%冷光闌效率問題。通過ZEMAX建立評(píng)價(jià)函數(shù)，仿真測(cè)試表明：設(shè)計(jì)完成的紅外二次成像折反射式光學(xué)系統(tǒng)口徑200mm，焦距380mm，結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單，成像質(zhì)量滿足實(shí)際測(cè)量需求。

中波紅外；光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)；折反射式光學(xué)系統(tǒng)；二次成像

0 引言

目前，空間目標(biāo)的光學(xué)特性測(cè)量、偵查預(yù)警及目標(biāo)識(shí)別等方面的研究逐漸受到各國(guó)軍方的關(guān)注與重視。對(duì)于空間光學(xué)系統(tǒng)，物距通常較大，實(shí)際應(yīng)用中對(duì)分辨率均有一定要求，而探測(cè)器的像元尺寸又有限，那么空間光學(xué)系統(tǒng)的焦距往往比較大，通常在幾百毫米以上，長(zhǎng)的可以達(dá)到數(shù)米甚至數(shù)十米。通常如采用透射式設(shè)計(jì)，為達(dá)到一定的相對(duì)孔徑，物鏡的口徑就要設(shè)計(jì)的非常大[1]。在現(xiàn)有條件下，大口徑物鏡的制作加工實(shí)現(xiàn)難度是非常大的。反射式系統(tǒng)可有效解決大口徑物鏡難題，而且系統(tǒng)幾乎無色差，適用于寬光譜系統(tǒng)。為此，短結(jié)構(gòu)的反射式望遠(yuǎn)物鏡在空間光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛，無論是在國(guó)內(nèi)還是國(guó)外均將此領(lǐng)域的研究作為一個(gè)熱點(diǎn)方向[2]。

為進(jìn)一步提升目標(biāo)光學(xué)特性測(cè)量技術(shù)手段和能力，發(fā)展和完善測(cè)量裝備體系，本文針對(duì)飛機(jī)、導(dǎo)彈等小、遠(yuǎn)空間物體目標(biāo)，設(shè)計(jì)了一套工作波段3.7～4.8mm，口徑200mm，焦距380mm的折反射式光學(xué)系統(tǒng)。此系統(tǒng)安裝于車載共平臺(tái)。車載平臺(tái)機(jī)動(dòng)靈活，可承載多個(gè)光學(xué)特性測(cè)量設(shè)備，同時(shí)獲取目標(biāo)的可見光、中波、長(zhǎng)波波段的成像及輻射特性數(shù)據(jù)。所以，綜合考慮技術(shù)指標(biāo)、空間布局等制約因素，采用RC結(jié)構(gòu)完成一套二次成像折反射式光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)中引入中繼組，中繼鏡由Ge、Si材料透鏡組成，成像質(zhì)量通過軟件仿真模擬接近衍射極限，可實(shí)現(xiàn)與探測(cè)器的較好匹配，滿足安裝調(diào)配和實(shí)際測(cè)量使用需求。

1 探測(cè)器組件

中波紅外熱像探測(cè)器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)主要由鏡頭組件、濾光片組件、探測(cè)器以及保護(hù)外殼組成，結(jié)構(gòu)展示如圖1所示。為實(shí)現(xiàn)鏡組與探測(cè)器完美匹配，根據(jù)探測(cè)器技術(shù)指標(biāo)確定光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)?？紤]用于目標(biāo)光學(xué)輻射特性測(cè)量，探測(cè)器選用高靈敏度、高測(cè)量精度、高幀頻的制冷型MCT焦平面探測(cè)器。

圖1 中波探測(cè)器組件外觀圖

2 兩鏡式反射光學(xué)系統(tǒng)

反射式光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用衍射原理將入射光線匯集，通常采用兩鏡式和多鏡式。兩鏡式較多鏡式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成像質(zhì)量亦可滿足使用需求，其工作原理[3]如圖2所示，其最大優(yōu)點(diǎn)是主鏡的口徑可以做得較大，遠(yuǎn)超過透鏡的極限尺寸，鍍反射膜后，使用波段很寬，沒有色差，同時(shí)采用非球面后，有較大的消像差能力。但是兩鏡系統(tǒng)也存在一些缺點(diǎn)，例如不容易得到較大的成像質(zhì)量?jī)?yōu)良的視場(chǎng)，次鏡會(huì)引起中心遮攔，有時(shí)遮攔比還較大，非球面與球面相比制造難度加大。目前，隨著非球面加工技術(shù)越來越成熟，在空間目標(biāo)特性測(cè)量的光學(xué)系統(tǒng)中，兩鏡系統(tǒng)是一個(gè)很好的選擇，按照結(jié)構(gòu)形式可分為卡塞格林式和RC結(jié)構(gòu)[4]。

圖2 帶中繼兩鏡系統(tǒng)的光學(xué)示意圖

3 二次成像反射光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 RC結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理及初始結(jié)構(gòu)確定

RC結(jié)構(gòu)因主鏡和次鏡均采用二次曲面鏡[5]，相較于卡塞格林式可進(jìn)一步提升光學(xué)系統(tǒng)像差的校正能力。在RC結(jié)構(gòu)引入中繼組以實(shí)現(xiàn)調(diào)整出瞳位置，使光學(xué)系統(tǒng)的成像在探測(cè)器焦面上。

根據(jù)選定的反射式光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，對(duì)照光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求和反射式光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理，開展光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示。

RC結(jié)構(gòu)的兩鏡面均為二次曲面，其表達(dá)式為：

2＝2－(1－2)2(1)

式中：2為面形參數(shù)，可以作為消像差的自變量。1、2為鏡面頂點(diǎn)的曲率半徑，對(duì)于空間系統(tǒng)，其物體位于無限遠(yuǎn)，同時(shí)一般光闌與主鏡重合，因此有：

1＝￥；1＝0 (2)

表1 光學(xué)系統(tǒng)指標(biāo)

反射式系統(tǒng)的焦距為RC，次鏡放大率即系統(tǒng)焦距與主鏡焦距比值為RC，中心遮擋比為，后截距為，則和RC關(guān)系式如下：

＝[RC＋×RC]/RC(RC－1) (3)

根據(jù)高斯公式，可依次推導(dǎo)出主鏡1、次鏡2及兩鏡之間距離之間關(guān)系式：

1＝2×RC/RC(4)

＝RC(1－)/RC(6)

考慮系統(tǒng)球差Ⅰ、慧差Ⅱ均為0的情況時(shí)，主鏡偏心率1和次鏡偏心率2表達(dá)式為：

為保證像質(zhì)，次鏡的RC取2.3。主鏡的焦距乘以RC即為系統(tǒng)的焦距，或主鏡的F數(shù)乘以RC的絕對(duì)值即為系統(tǒng)的F數(shù)，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)求解系統(tǒng)F數(shù)，確定RC系統(tǒng)的焦距為650mm，進(jìn)而算出主鏡的焦距為280mm。為保證中繼鏡的尺寸不至于過于偏大，后截距取值一般不能太小，在這里取65mm。此時(shí)，可通過以上公式計(jì)算出主次鏡間隔及主、次鏡二次曲面系數(shù)，輸入ZEMAX光學(xué)設(shè)計(jì)軟件并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，RC結(jié)構(gòu)反射式光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果如圖3所示。

3.2 紅外二次成像折反射式光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為提高探測(cè)靈敏度和響應(yīng)度，制冷型MCT焦平面探測(cè)器必須處于低溫工作環(huán)境，通常置于低溫的杜瓦瓶絕熱容器中。探測(cè)器接收紅外輻射，需通過杜瓦瓶的冷光闌。為了提升光學(xué)系統(tǒng)的適配性，確保探測(cè)器工作性能，在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮光學(xué)系統(tǒng)與探測(cè)器的光闌匹配問題。

圖3 RC結(jié)構(gòu)反射式物鏡光學(xué)系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)冷光闌匹配，則系統(tǒng)出瞳位置應(yīng)設(shè)計(jì)在冷光闌處。因RC結(jié)構(gòu)光學(xué)系統(tǒng)的入瞳在主鏡前端，經(jīng)過物鏡反射成像位出瞳s處，為避免出現(xiàn)前端口徑尺寸過大問題，往往采用二次成像方式予以解決。則以RC結(jié)構(gòu)出瞳作為二次成像中繼組的入瞳，通過中級(jí)鏡組成像在冷光闌s￠處繼而實(shí)現(xiàn)冷光闌匹配。通過高斯公式，對(duì)引入二次成像的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)[6]。

其中中繼組的垂軸放大倍率為2，二次成像反射式光學(xué)系統(tǒng)的總焦距為：

＝RC×2(9)

式中：RC為反射式結(jié)構(gòu)的焦距，因2＝￠/，根據(jù)高斯公式：

將系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)代入上述推導(dǎo)公式，可計(jì)算出中繼鏡組的物距。

在RC結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，引入二次成像中繼組合透鏡既可確保實(shí)現(xiàn)100%冷光闌，又可放大RC結(jié)構(gòu)的焦距，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

文中光學(xué)系統(tǒng)的中繼鏡組采用Ge、Si、Si、Ge四個(gè)透鏡組合的形式，在ZEMAX中將中繼組合透鏡加載至設(shè)計(jì)的RC結(jié)構(gòu)中，通過ZEMAX對(duì)光學(xué)系統(tǒng)再次優(yōu)化設(shè)計(jì)。其中，為降低畸變對(duì)像質(zhì)影響，提升成像質(zhì)量，對(duì)兩個(gè)Ge透鏡的二次曲面系數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，最終的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果如圖4所示。

該光學(xué)系統(tǒng)因應(yīng)用于紅外成像，其像質(zhì)評(píng)價(jià)主要參考調(diào)制傳遞函數(shù)MTF和點(diǎn)列圖的指標(biāo)參數(shù)，如圖5所示，從結(jié)果分析，設(shè)計(jì)完成的紅外二次成像折反射式光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)接近衍射極限，成像質(zhì)量良好，點(diǎn)列圖顯示的彌散斑均方根值均小于紅外探測(cè)器像元尺寸，系統(tǒng)參數(shù)滿足技術(shù)指標(biāo)，整個(gè)結(jié)構(gòu)均勻緊湊，符合總體要求。

圖4 紅外二次成像折反射式光學(xué)系統(tǒng)

圖5 光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化后點(diǎn)列圖和傳遞函數(shù)圖

4 結(jié)論

文中深入分析了兩鏡式折反射光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及性能特點(diǎn)，結(jié)合RC結(jié)構(gòu)形式和工作原理，詳細(xì)介紹了初始結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法和設(shè)計(jì)步驟，在此基礎(chǔ)上，引入中繼組透鏡，既保證了100%冷光闌效率，又實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終的系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和成像質(zhì)量均到達(dá)研制要求。實(shí)際應(yīng)用中，該系統(tǒng)增加了目標(biāo)紅外輻射特性測(cè)量距離，擴(kuò)展了目標(biāo)的紅外特性信息數(shù)據(jù)，提升綜合評(píng)估目標(biāo)紅外隱身特性的可信性。此外，該光學(xué)系統(tǒng)也可應(yīng)用于光電搜索跟蹤設(shè)備，用于提升紅外目標(biāo)偵查的距離和威脅目標(biāo)告警的距離，增加作戰(zhàn)反應(yīng)時(shí)間和決策時(shí)間，使御敵戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)法應(yīng)用更加靈活多變。

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Design of a 3.7～4.8μm Catadioptric Secondary Imaging MWIR Optical Sytem

LI Zhuo，YE Zongmin，SUN Baojie，LIU Wenpeng

(PLA Unit 91404, Qinhuangdao 066000, China)

The system is based on an RC structure to measure the optical characteristics of small targets and space targets. The initial structure of the reflective optical system was established by calculating the curve equation and the Gaussian formula.The re-imaging relay lens group was introduced into the structure of the system to realize the optimal design, which solves the problem of 100% cold diaphragm efficiency. The imaging quality was evaluated using Zemax, and a system with a focal length of 380 mm and a diameter of 200mm is not only compact and simple, it also meets the actual measurement requirements.

MWIR, optical system design, reflective optical system, re-imaging

TN216

A

1001-8891(2021)12-1193-05

2021-04-20；

2021-06-24.

李卓（1988-），男，碩士，主要從事現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)及工程應(yīng)用的研究工作。E-mail：905455325@qq.com。